A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
في هذه المقالة ، نقدم طريقة ميكروفلويديك قائم على الحبس الجسيمات على أساس تدفق الهيدروديناميكية. علينا أن نظهر استقرارا محاصرة الجسيمات في السائل نقطة الركود باستخدام آلية مراقبة ردود الفعل ، وبالتالي تمكين والحبس التعسفي من الجزيئات المجهرية في microdevice متكاملة.
القدرة على حصر والتلاعب الجزيئات في حل واحد هو حر التكنولوجيا الرئيسية مواتية للعلوم الأساسية والتطبيقية. وقد أدت الطرق لمحاصرة الجسيمات على أساس التقنيات البصرية ، والمغناطيسية ، وحركي كهربي ، والصوتية إلى التطورات الرئيسية في الفيزياء والبيولوجيا الجزيئية بدءا من مستوى لالخلوية. في هذه المقالة ، ونحن نقدم الجديد القائم على تقنية ميكروفلويديك لمحاصرة الجسيمات والتلاعب تستند فقط على تدفق السوائل الهيدروديناميكية. باستخدام هذه الطريقة ، علينا أن نظهر محاصرة من الجزيئات المتناهية الصغر والنانوية الحجم في المحاليل المائية لفترات زمنية طويلة. فخ الهيدروديناميكية تتكون من عبوة ميكروفلويديك متكاملة مع هندسة قناة عبر فتحة حيث تيارين الصفحي معارضة تتقارب ، وبالتالي توليد تدفق الممتدة المستوية مع نقطة الركود السائل (صفر السرعة نقطة). في هذا الجهاز ، وتنحصر الجزيئات في مركز الفخ عن طريق التحكم النشط في مجال الحفاظ على موقف تدفق الجسيمات في السائل نقطة الركود. بهذه الطريقة ، محاصرون في حل فعال جزيئات حرة باستخدام خوارزمية تحكم ردود فعل تنفيذها مع رمز ابفيو (LabVIEW) مبنية خصيصا. الخوارزمية مراقبة تتكون من التقاط صور لجسيم في الجهاز ميكروفلويديك ، تليها تتبع الجسيمات ، وتحديد موقف الجسيمات النقطه الوسطى ، والتصحيح النشط للتدفق السائل من خلال تنظيم الضغوط التي مورست على صمام هوائي على الرقاقة باستخدام منظم الضغط. في هذه الطريقة ، على رقاقة صمام قياس الوظائف الحيوية لتنظيم معدلات التدفق النسبي في قنوات مخرج ، وبالتالي تمكين غرامة على نطاق السيطرة على الموقف نقطة الركود ومحاصرة الجسيمات. المعروضات في فخ الهيدروديناميكية ميكروفلويديك المستندة مزايا عديدة كوسيلة لمحاصرة الجسيمات. الهيدروديناميكية محاصرة من الممكن لأي الجسيمات التعسفي دون شروط محددة عن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكائن المحاصرين. بالإضافة إلى ذلك ، محاصرة الهيدروديناميكية تمكن من الحبس "واحد" الكائن الهدف في تعليق الجسيمات المركزة أو المزدحمة ، والتي من الصعب استخدام القوة الطرق البديلة لمحاصرة الميدانية. الهيدروديناميكية في فخ سهل الاستخدام ، واضحة لتنفيذ ويمكن إضافة إلى الأجهزة ميكروفلويديك القائمة لتيسير تحليل ومحاصرة لمدة طويلة ، الجسيمات. عموما ، في فخ الهيدروديناميكية هي منصة جديدة للحبس ، المجهرية ، ورصد الجسيمات دون استيقاف السطحية ويلغي الحاجة لperturbative يحتمل حقول البصرية ، والمغناطيسية ، والكهربائية في محاصرة الحرة حل جسيمات صغيرة.
فخ الهيدروديناميكية يتكون من جهاز طبقتين (polydimethylsiloxane (PDMS) / الزجاج) الهجين ميكروفلويديك لالحبس الجسيمات. تصف الخطوات 1-2 تصنيع أجهزة ميكروفلويديك ، والخطوات 3-4 تصميم الجهاز مناقشة والعملية.
1. SU - 8 تصنيع القالب (لا يظهر في شريط الفيديو)
2. تصنيع الأجهزة ميكروفلويديك
تصف الخطوات 3-4 تنفيذ مصيدة الهيدروديناميكية باستخدام جهاز ميكروفلويديك المذكورة أعلاه.
3. الهيدروديناميكية إعداد فخ التجريبي
4. الهيدروديناميكية ملائمة الداخلي
قانون ابفيو (LabVIEW) : لاحظ استخدام للتحكم تعليقات
ويتحقق الآلي محاصرة الجسيمات باستخدام عنصر تحكم ملاحظات خطية الخوارزمية تنفذ باستخدام رمز ابفيو (LabVIEW) المخصصة. رمز ابفيو (LabVIEW) يلتقط الصور من كاميرا CCD وينقل إمكانات الكهربائية (الجهد) إلى الضغط المنظم ، والذي ينظم بنشاط موقف (ولاية مفتوحة جزئيا / المغلقة) لصمام على الرقاقة الهوائية الديناميكية. كما تغير موقف صمام ، ومعدل تدفق الهيدروديناميكية في خط منفذ واحد أناق تعديلها ، ومن ثم إعادة وضع نقطة الركود وتمكن محاصرة الهيدروديناميكية. الخطوات في حلقة مفرغة هي بالتسلسل وأعدم تكرارا بمعدل التقاط صورة (10-60 هرتز). رمز ابفيو (LabVIEW) تنفيذ الخطوات التالية أثناء كل دورة حلقة التغذية المرتدة :
رمز ابفيو (LabVIEW) السجلات البيانات التالية عن كل الصور الملتقطة خلال محاصرة الجسيمات : 1) الوقت المنقضي ، 2) النقطه الوسطى (س ، ص) الموقف من الجسيمات المحاصرين ، 3) موقف وسط اعتراض ، 4) المسافة من الجسيمات من تطبيق مصيدة مركز ، 5) الضغط على صمام على الرقاقة. بالإضافة إلى ذلك ، رمز السجلات أيضا فيلم للجسيمات المحاصرين في تنسيق ملف AVI.
5. ممثل النتائج
نحن محاصرون الخرز البوليسترين الفلورسنت ذات حجم مختلف (100 ، 540 ، 830 نانومتر ، و 2.2 ميكرومتر قطر) باستخدام فخ الهيدروديناميكية. الشكل 1 (أ) يوضح صورة من الجسيمات المحاصرين في مفترق عبر فتحة في جهاز ميكروفلويديك. ويمكن تحديد مسار جسيم المحاصرين مباشرة من البيانات التي سجلتها موقف النقطه الوسطى رمز ابفيو (LabVIEW) خلال الحدث محاصرة أو من خلال تتبع وإضفاء الطابع المحلي على الجسيمات المحاصرين من ملف الفيلم المسجل. الشكل 1 (ب) يظهر مسار جسيم المحاصرين (2.2 ميكرومتر الفلورسنت حبة البوليسترين) على مأخذ قناة الاتجاه. محصور في البداية حبة (المربعات) لمدة 3 دقائق ويتم تحريرها من فخ ثم يهرب وعلى طول واحدة من القنوات منفذ (الدوائر). مسارات الجسيمات على طول محور تدفق compressional (مدخل قناة الاتجاه ؛ لا تظهر البيانات) مماثلة لمسارات الجسيمات على طول محور تدفق الممتدة (اتجاه تدفقات للخارج) كما هو مبين في الشكل 1 (ب). ويبين الرسم البياني للتشرد الجسيمات من وسط اعتراض لحبة المحاصرين (2.2 ميكرون قطر) على طول القناة منفذا الاتجاهات في الشكل 1 (ج). باستخدام خوارزمية تحكم ردود الفعل المذكورة في هذا العمل ، وتنحصر جزيئات المحاصرين داخل ميكرومتر 1 ± مركز الفخ على طول مدخل قناة منفذ والاتجاهات.
ويرد التخطيطي للجهاز ميكروفلويديك تستخدم لمحاصرة الهيدروديناميكية في الشكل 2. الجهاز ميكروفلويديك متكاملة تتكون من طبقة وطبقة fluidic السيطرة وملفقة باستخدام معيار الطباعة الحجرية الناعمة متعدد الطبقات كما هو موضح في هذه المقالة. طبقة fluidic يحتوي على قنوات العازلة والعينة ، وكذلك عبر قناة هندسة فتحة لتسهيل محاصرة الهيدروديناميكية. طبقة التحكم يتكون من صمام هوائي وضعه فوق احدى القنوات منفذا في طبقة fluidic ، ويتم فصل المراقبة وطبقات fluidic بواسطة غشاء رقيق من اللدائن المرنة. أثناء تشغيل الجهاز ، وصمام التحكم في طبقة غير مضغوطة مع غاز النيتروجين ، الأمر الذي يفرض على غشاء رقيق في طبقة fluidic ، الأمر الذي أدى بالتالي انقباض في قناة مأخذ. صمام الهوائية الديناميكية يضيق القناة منفذا بكميات متغيرة عن طريق تغيير الضغوط التي مورست على طبقة تحكم ، والذي يضبط معدلات التدفق النسبي في قنوات مخرج جيد وتمكن من السيطرة على نطاق نقطة الركود.
الشكل 1 : اصطياد الجسيمات. (أ) صورة من حبة واحدة تنحصر في فخ الهيدروديناميكية. بالإضافة إلى حبة في مركز الفخ ، وتظهر حبات untrapped عدة في منطقة محاصرة. (ب) مسار جسيم المحاصرين على طول قنوات مخرج (المربعات). عندما يتم الافراج عن الجسيمات من فخ (السهم) ، فإنه يهرب إلى جانب واحدة من قنوات مخرج (الدوائر) ، (ج) من الرسم البياني تشريد حبة المحاصرين (2.2 ميكرون قطر) من وسط اعتراض على طول قنوات منفذا.
الشكل 2 : رسم تخطيطي للجهاز ميكروفلويديك لمحاصرة الهيدروديناميكية هي التي شيدت في فخ الهيدروديناميكية باستخدام جهاز طبقتين ميكروفلويديك. طبقة fluidic يتكون من مدخل العينة ، ومداخل العازلة لدينا ، ومنافذ النفايات اثنين. طبقة التحكم يتكون من هوائي صمام غشاء تقع على رأس واحدة من القنوات في طبقة مأخذ fluidic. وانقباض في قناة مأخذ معارضة يوفر للموازنة ضغط صمام بالهواء المضغوط. أبعاد قناة نموذجية تتراوح ما بين 100-500 ميكرون. في المنطقة (ألف) ، مدخل العينة التي تركز تدفق العازلة مداخل اثنين. في المنطقة (B) ، وتيارات معارضة مدخل تلتقي عند مفترق عبر فتحة محاصرة حيث يحدث. يتم وضع صمام بالهواء المضغوط (C) على رأس واحدة من القنوات منفذا. موقف نقطة الركود هو منظم من قبل تنظيم ضغط على هذا الصمام.
ويمكن وصف أساليب ميكروفلويديك الحالية للتلاعب الجسيمات على أساس تدفق الهيدروديناميكية وطرق الاتصال أو المستندة إلى عدم الاتصال. الاتصال القائم على استخدام أساليب تدفق السوائل لحصر جسديا ويشل جزيئات الجدران ضد قناة microfabricated 9 ، في حين أن وسائل الاتصال غير الاع...
نشكر مجموعة Kenis في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين لإجراء مناقشات مفيدة وتوفير بسخاء استخدام مرافق غرف الأبحاث.
وقد تم تمويل هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة المسار لجائزة PI الاستقلال ، تحت رقم المنحة 4R00HG004183 - 03 (M. تشارلز شرودر وTanyeri Melikhan).
وأيد هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية من خلال زمالة بحوث الدراسات العليا لM. اريك جونسون شافاريا.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
21 gauge blunt needle | Zephyrtronics | ZT-5-021-1-L | For punching port holes in PDMS |
3 ml plastic syringe | BD Biosciences | 309585 | For filling valve with oil |
Si wafers | University Wafer | 3” P(100) single side polished 380 μm test grade | |
Cover glass | VWR international | 48404-428 | 24 x 40 mm #1.5 |
DAQ card | National Instruments | PCI 6229 | |
Fluorescent beads | Spherotech, Inc. | FP-2056-2 | 2.2 μm Nile red |
Fluorinert | 3M | FC 40 | Fluorinated carrier oil |
Inverted Microscope | Olympus Corporation | IX-71 | |
LabVIEW | National Instruments | Version 9.0f3 (32bit) | |
Stereo Microscope | Leica Microsystems | MZ6 | For aligning PDMS control layer to fluidic layer. |
Mechanical Convection Oven | VWR international | 1300U | For baking devices to create monolithic PDMS slabs with two layers. |
Microfluidic tubing and connectors | Upchurch Scientific | 1/16 x .020 PFA tubing and super flangeless fittings | |
PDMS | GE Healthcare | RTV 615 A&B | |
Plasma Chamber | Harrick Scientific Products, Inc. | PDC-001 | |
Pressure Transducer | Proportion Air | DQPV1 | |
Spin Coater | Specialty Coating Systems | G3P-8 Spin Coat | |
Photoresist | MicroChem Corp. | SU 8 2050 | |
Syringe Pump | Harvard Apparatus | PHD 2000 Programmable | |
Terminal Block | National Instruments | BNC 2110 | For analog output to pressure regulator and read out. |
UV Collimated Light Source and Exposure System | OAI | Model 30 Enhanced Light Source |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved